RtCM维修优化技术在CPR1000核电厂研究应用

RtCM维修优化技术在CPR1000核电厂研究应用

苏州热工研究院有限公司 张 圣 陈 宇 曹智鹏 冯光明

本文结合国内外核电厂多年来推行以可靠性为中心的维修(RCM)分析实践及相关维修优化技术发展等，指出了传统RCM分析的不足，提出了改进型的以可靠性与技术特性为中心的维修（RtCM）方法，强化了技术分析环节，提高了分析效率和分析质量。

RCM； RtCM； CPR1000；核电厂； 维修优化；可靠性

福岛核事故后，核电厂的安全问题越来越受到世界核能领域的关注。基于福岛核事故的经验教训，展开核电厂可靠性保障措施的技术研究，提高核电厂的安全可靠水平，有着重要的意义。国内核电机组大发展，国内对生产安全、设备可靠性等有了更高的要求。维修与设备可靠性有着非常紧密的联系，无论是维修大纲、维修计划、维修程序、检修技能、检修质量等都和设备可靠性直接或间接相关。其中，贯穿整个维修活动的维修大纲是维修领域中源头和指导文件，维修大纲的合理性对于核电站机组的安全、经济、可靠运行起着至关重要的作用。目前，核电站维修活动的开展主要依据于预防性维修大纲，该维修大纲是重要的电站执行文件。由于历史条件的限制，一般制定维修大纲的主要依据是设备运行维护手册，加上少量的经验反馈，其内容主要以定期解体维修为主。但科学的数据和维修实践告诉我们，以定期解体维修为主的维修大纲已经不能满足系统设备可靠性提升和维修成本节约的要求。定期解体为主的维修大纲更多关注于固定时间周期的检修，但在很多情况下会出现，运行状态很好的设备因维修时间到而不得不进行解体大修，不仅浪费人力物力，维修后还经常出现新的故障；而一些该维修的设备却由于维修大纲的限制，没有得到及时维修。同时，由于没有科学的方法掌握设备的维修需求，电站制定的定期解体维修项目越来越多，维修费用也因此越来越高。目前，大多数核电厂进行传统RCM（以可靠性为中心的维修）分析时大多采用原始分析方法，工作量大、分析效率较低、主观性强，要求投入大量的人力物力。

基于上述情况，部分国内核电单位已经在研究和引进可靠性维修的技术。其中，对传统RCM等可靠性维修技术的研究已经在部分国内核电厂开展并成功应用，取得了较为显著的效果。但传统RCM方法由于其对不同工业领域的通用性，这也决定了其技术步骤、决断逻辑等实际针对性偏弱，同时在标准RCM七个问题的技术确认中，对于个别问题的回答缺乏比较有效的技术路线进行确定。因此，开展RCM技术改进等可靠性维修技术的研究势在必行。

1 RCM基本概念

以可靠性为中心的维修Reliability-centered Maintenance（RCM）是目前国际上通用的用以确定设(装)备预防性维修需求、优化维修制度的一种系统工程方法。按国家军用标准GJB1378-92《装备预防性维修大纲的制定要求与方法》，RCM定义为：“按照以最少的资源消耗保持装备固有可靠性和安全性的原则，应用逻辑决断的方法确定装备预防性维修要求的过程或方法”。它的基本思路是：对系统进行功能与故障分析，明确系统内各故障后果；用规范化的逻辑决断程序，确定各故障后果的预防性对策；通过现场故障数据统计、专家评估、定量化建模等手段在保证安全性和完好性的前提下，以最小的维修停机损失和最小的维修资源消耗为目标，优化系统的维修策略。RCM是一种分析过程（方法），用于确定用户需要做什么，才能让设备在所使用的环境下，继续做用户所要它做的事。以核电站应用RCM为例，即需要确定电站做什么，才能保证设备的状态满足电站的需求；简单地说，确定电站采用什么样的维修策略，才能让设备正常运行。

RCM分析的结果给出的是设备的预防性维修工作项目、具体的维修间隔期、维修工作类型（或方法）和实施维修的部门。对于核电厂SSCs（系统、构筑物和部件）而言，RCM分析的结果是针对于该设备的预防性维修大纲。设备预防性维修的大纲是规定SSCs预防性维修要求的汇总文件，是关于设备预防性维修要求的总的安排。其主要内容包括：

图1 RtCM分析流程

2 RtCM技术（改进型RCM）

从国内外核电厂多年来RCM推行的经验来看，传统RCM主要存在以下不足：

·缺乏通用设备的分析方法

传统RCM以系统作为分析对象，系统中的设备是作为功能支撑和失效分析的重要组成部分，也是维修策略实施的最终对象。核电厂中，往往有大量相同厂家型号的设备或部件设置在相同或相近的运行环境中，根据RCM分析经验，此部分设备的维修策略往往相近或稍有不同，如果采用传统的系统分析方法，通用设备的分析和策略应用效率并不高。

·缺乏有效技术准则确定状态监测

RCM第六个问题中需要确定有无预测或预防性维修任务可以管理故障模式。根据RCM决断逻辑，在进行任务决断中，首选状态监测任务。但难点在于是否有合适的状态监测任务？如何进行状态监测任务？状态监测任务的选择取决于RCM分析中对故障P-F曲线及故障准则的判断与确定，如果缺乏有效技术准则和方法，RCM分析小组较难给出故障提前识别与预测的方法。

·缺乏合理的设备故障后果分类管理思路

传统RCM分析逻辑中，虽然对故障后果进行了分类，但只是从非客观的层面上对故障后果进行了分类。其RCM后果分为影响安全、影响环境、影响使用性、不影响使用性四类。对于现代日益复杂和繁多的工业企业设备以及有限的企业资源，此分类并没有很好地体现管理重要的少数的二八原则，因此，也并没有把重要的管理和维修资源放在企业管理重点上。对于核电站来讲，系统设备众多，用有限的资源管理重要关键敏感设备，有利于资源的优化管理。

·缺乏有效的预防性维修周期定量分析模型

传统RCM进行维修任务决断中，对于状态监测周期、定期维修任务周期的确定也困扰着许多RCM推行单位，RCM七个问题中并无较好的技术方法解决此定量问题。

另外，传统的RCM技术方法虽然可以分析不同专业设备的故障模式，但对于拥有复杂仪表控制设备的企业，如核电站，基于分析周期等考虑，传统RCM分析也并未展开对仪控设备部件的进一步分析；因此，一般仪控设备所确定的维修策略大多数侧重于信号通道的功能检查、探头的校验等类型。随着现代科技的发展，工业生产企业的仪表控制和智能控制设计日趋复杂和多样化，对于仪控设备及其元器件的失效及后果分析显得越来越重要，数量也越来越多。核电站的设计更是如此。因此，对其进行有有效的针对分析显得非常有必要。

RtCM（Reliability & Technique Centered Maintenance，以可靠性与技术特性为中心的维修）是中广核设备可靠性应用团队经过十多年对传统RCM研究和实践进行改进和创新的成果。RtCM技术在原经典RCM分析主流程的基础上，结合国内核电实际，加入了技术特性分析（频度、失效概率及运行环境等），是在传统RCM的改进和创新，优化了分析流程和步骤，同时RtCM还对整体维修策略的技术实施路线进行了优化，以系统和设备可靠性为出发点，运用改进的RtCM逻辑选择适当的维修需求。

RtCM遵循对以下9个问题的提问与回答：

① 在当前运行环境下，用户需要系统提供什么功能及相关的性能标准是什么？（功能）

② 功能失效的所有表现形式是什么？（功能故障）

③ 功能失效后会导致哪些故障后果，结合功能级故障后果对机组安全、环境、经济的影响分析（例如放射性泄漏、停机停堆以及降负荷等）等，对功能级故障后果的严重程度及故障后果是否可接受进行分析判断，分为Y类（严重，不可接受）和N类（不严重，可接受）。对于Y类功能级故障后果，认为设备故障会导致不可接受的后果，列写出所有可能导致功能故障的设备。（找待管理设备）

④ 对于待管理的设备，能引起相应功能失效的原因是什么？（故障模式）

⑤ 故障模式发生后会出现什么现象？（故障影响）

⑥ 故障属于哪一种故障后果类型？（故障后果）

⑦ 设备所处的运行环境、使用频度及该故障模式的发生概率如何？（技术特性分析）

⑧ 什么工作能预防或预测该故障模式的发生？（预测和预防）

⑨ 如果无法预防或预测该故障模式，如何管理其后果？（管理故障后果）

RtCM分析流程如图1。

3 RtCM技术在CPR1000应用

本文以岭澳二期核电站辅助给水系统（ASG）为例做分析介绍，岭澳二期核电站采用的CPR1000机组，拥有两台1080MW的核电机组，每台机组分别拥有一套辅助给水系统(ASG)，包括一个贮水箱、一套泵子系统（2×100%容量，包括2台电动泵2×50%容量，2台汽动泵2×50%容量）和一套与蒸汽发生器相连的给水管线，给水管线上装有流量控制阀。另外还有8ASG除氧装置，为两台机组公用，用于向3ASG、4ASG和REA的水箱提供除盐除氧水。系统流程如下图2。

图2 ASG系统流程

3.1 边界确定

ASG系统边界划分：按照相关流程图划分。

（1）工艺边界

以流程图中的设备边界和功能位置码为依据，功能位置码中包括ASG系统的机械、电气设备，包括阀门法兰或焊缝。

当边界设备属于ASG系统时，边界设备及其两侧的法兰或焊缝包括在分析范围内；当边界设备不属于ASG系统时，边界设备不包括在分析范围内，但其相应的ASG侧法兰或焊缝包括在分析范围内。

（2）与供电系统边界

与供电系统的边界划分到动力电缆，包括电缆。

（3）与仪控系统边界

与仪控系统（DCS）的边界划分到就地端子箱前的信号电缆，包括电缆。

（4）机械、仪控设备边界

划分到仪表一次隔离阀，包括一次隔离阀属于机电专业。

（5）管道支吊架纳入管道支吊架大纲管理，在边界外。

3.2 系统主要功能

根据系统设计手册，ASG系统的功能为：辅助给水系统（ASG）作为失去主给水供应时向蒸汽发生器二回路侧供应给水的后备系统，在下列情况下可代替主给水系统向SG（蒸汽发生器）二次侧供水：

·反应堆启动和反应堆冷却剂系统升温时；

·热停堆时；

·将反应堆冷却到余热排出系统RRA能投入运行的状态。

利用辅助给水电动泵给蒸汽发生器二次侧充水（初次充水和冷停堆后的再充水）。

在启动给水系统不可用时，利用辅助给水电动泵或汽动泵维持蒸汽发生器二次侧水位。ASG除氧装置用于向ASG水箱和REA系统贮水箱供应除盐除氧水。

ASG系统为专设安全设施系统之一。当正常给水系统（APA、APD、ARE）中之一失效时，ASG投入运行以排出堆芯余热，直至达到RRA系统投入运行的状态为止。从一回路（RCP）排出的热量通过由辅助给水系统（ASG）供水的蒸汽发生器传给二回路系统，二回路系统本身则由GCT系统（向冷凝器或向大气蒸汽排放）进行冷却。

3.3 功能分析及重要设备识别

从分析ASG系统的功能和功能故障出发，列写ASG系统的所有功能及其功能故障，分析每项功能故障的功能级故障后果，结合功能级故障后果对机组安全、环境、经济的影响分析（例如放射性泄漏、停机停堆以及降负荷等）等，对功能级故障后果的严重程度及故障后果是否可接受进行分析判断，分为Y类（严重，不可接受）和N类（不严重，可接受）。对于Y类功能级故障后果，认为设备故障会导致不可接受的后果，列写出所有可能导致功能故障的设备（即重要设备），后续对这些重要设备按类型进行故障模式及影响分析。对于N类功能级故障后果，列出对应设备并执行RTM（运行至维修）评判（如工业安全、环境、辐射安全风险及经济成本等因素），未通过RTM评判筛选出需要管理的设备，即N-RTM设备，该类设备同样需要维修策略分析，并与重要设备一起作为值得管理的设备清单，进行故障模式及影响分析，并制定相应的维修策略；其他通过RTM评判的设备则不需要执行维修策略分析，这些设备可采用纠正性维修维修策略，不再进行故障模式及影响分析。成果文件为ASG系统功能清单和ASG系统功能分析和重要设备识别清单。

值得管理的设备识别包括两个部分，一部分为直接导致严重的功能级故障后果发生的设备，该部分设备需要维修策略分析；另一部分为未通过RTM评判的设备，该类设备同样需要维修分析和管理。除此之外的其他系统设备则不再执行维修策略分析。

具体操作过程分为3个环节：功能级故障后果分析及严重度判别、功能失效相关设备定位、RTM（Run to Maintenance）评判。

（1）功能级故障后果分析

功能级故障后果分析，目的是分析该功能故障产生的后果及其严重程度，为识别能够导致严重功能故障的相关设备提供输入。功能级故障后果描述侧重于对机组安全、环境、经济影响分析，例如放射性泄漏风险、停机停堆、降负荷等。

分析人员根据功能故障，列写各功能级故障后果，并判断功能故障符合哪一种故障级别（I类或II类，如下表1）。

（2）功能失效相关设备定位（针对符合I类的设备）

对导致功能级故障相关的设备进行识别，首先要对系统功能有全面的理解，明确每项功能所覆盖的设备；然后，根据设备故障模式征兆分析判断哪些会导致功能故障的发生。设备定位需督导员提前拟定清单及故障征兆分析，会议中与小组成员核实、确认，同时整理出重要设备清单。系统需要分析的清单中除去重要设备，即得到非重要设备清单，作为RTM的评判输入。

（3）RTM评判

该步骤的目的是对非重要设备通过RTM评判准则再次进行筛选，筛选出需要管理的设备（N-RTM设备）和不需要管理的设备（RTM设备）。N-RTM设备，其仍有维修需求，将与重要设备汇总作为待分析维修需求的设备，后续对其按类型进行故障模式及影响分析，并制定相应的维修策略。通过RTM评判的设备不需要进行维修需求分析。针对核电厂的RTM评判准则如下：

·设备故障能导致个人、工业安全、环境、辐射安全风险等的不可接受的增加；

·设备有不可接受的高维修史、更换史、或高运行成本史；

·设备过时或供应短缺，修理更换费用高或所需时间长；

·设备故障会增加其他设备的故障，或影响其他关键设备的运行；

·设备故障会导致功率瞬态、必需的冗余功能或纵深防御降低；

·设备故障会导致限制性后果，如违反相关的管理条例；

·设备故障将影响或导致关键部件不能及时维修；

·比起故障后修理或更换，预防性维修该设备更经济。

对于符合上述8项准则中的任意一条，相关设备为非重要但需要分析设备，需要进行故障模式和故障影响的分析。8项都不符合的设备被判定为RTM设备，不需要制定维修策略。

3.4 维修策略决断

主要对系统功能分析及设备筛选得出的重要设备，按设备类型进行故障模式、故障影响、维修策略的分析。从三个方面系统分析可能导致系统功能故障的故障模式：

——在相同或相似的设备上以前已发生过的故障模式

——在现有维修大纲中已列入进行预防的故障模式

——尽管到目前为止还没有发生过，但很有可能发生的任何其它故障模式

故障模式是本节的基础，故障模式是导致设备功能故障的所有事件。故障影响是故障发生时可能发生的一系列事件，主要用于RtCM决断任务相关判断使用。并在此基础上对故障模式发生时所产生的影响进行了详细的描述，为下一步寻求管理故障模式和故障后果的任务和频度奠定了基础。根据设备故障影响，对故障后果进行分类：显性/隐性及安全相关/环境相关/生产相关等，按设备使用频度、所处环境、故障概率、修复时机进行维修任务综合技术分析，再按照不同设备的不同技术特点，按照状态监测、定期翻新、定期更换、定期试验、纠正性维修、变更改造的顺序进行维修策略的优选，对故障模式的后果进行管理，确定维修内容和频度，确定工作实施部门。成果文件为ASG系统设备维修策略决断单。

3.5 维修任务汇总

在设备维修策略决断分析的基础上，按执行专业等顺序汇总全部相关的维修任务，填写RtCM任务汇总表，以便将来按照RtCM任务汇总表所列清单将各具体任务分派到各相关专业执行处，由各相关专业处根据RtCM任务分派表所列任务清单修改维修大纲、维修程序、定期试验程序、巡视检查程序等。成果文件为ASG系统维修任务汇总单。

3.6 分析成果

在维修任务汇总完成之后，将RtCM任务汇总表同原有的设备维修大纲进行比较，确认系统或设备所进行的RtCM分析已覆盖了原有维修大纲所包括的所有内容，确保重要的信息不被丢失。成果文件为ASG系统RtCM分析前后维修大纲对比单。ASG系统RtCM分析前后主要变化（成果）如下：

（1）延长003/004 P O全面解体检查周期3C→7C；

保留003/004PO附属超速保护截止阀解体检查、进汽调节阀3C解体检查；

表1 功能故障类别

（2）延长176/177/182VD214VZ 安全阀压力整定和校验周期 2Y→3Y；

（3）延长126VZ 解体检查水箱呼吸阀周期1C→3C；

（4）延长145VZ阀门解体检查周期 3C→7C；

（5）延长001DZ内部检查周期 5Y→6Y；

（6）延长012/013/014/015/016/017VD易损件更换和校验周期 6C→7C；

（7）延长001RF内部检查，清洗环路清洗冷却器周期 5Y→6Y；

（8）延长001/002MO清理旧油脂周期 3C→6C；

（9）取消051/052/053VD（化学取样仪表隔离阀）5Y日常润滑；

（10）取消833/834/835/836/838/839/840/841/843/844/845/846VD（泵出口管线孔板流量测量仪表隔离阀）5Y日常润滑；

（11）取消144/244VV（汽水分离器001/003ZE排气阀）、953/951/952/252/128/129/130VD（ASG泵上下游排气阀）、511VD（ASG泵最小流量管线排气阀）、803VD（001BA液位测量水箱排水阀）、510/540/570VD（ASG泵出口管线疏水排气阀）、801/802/804/808VZ（001BA氮气隔离阀）5Y日常润滑；

（12）取消199/299VD 7C阀门解体，并检查上下游管道是否堵塞；

（13）新增001DZ水压试验12Y、定期在役检查6Y；

（14）新增001RF水压试验12Y、定期在役检查6Y；

（15）新增005/006/010/220VD阀门外部目视检查，检查阀门是否有泄漏，机械损伤等缺陷1C；

（16）新增001/002MO电动机电加热器检查：校验温控器定值，接线盒内接线端子紧固检查及清洁4C；

（17）新增001/002PO吹扫电动泵轴承油冷却器传热管7C；

（18）新增002BA水压试验12Y、定期在役检查6Y；

（19）延长001/002PU解体检查周期1C→2C；

（20）新增001/002MO 抽检解体10C。

3.7 与定期试验监督大纲对比

在RtCM分析完成之后，将RtCM分析结果同现有的最新版定期试验监督大纲进行比较，确保现有定期试验监督大纲所要求的安全准则得到遵守。

通过比对，ASG系统的分析结果完全保留了定期试验监督大纲的要求，无变化。

3.8 系统分析效益评估

RtCM分析的主要目的是通过整合维修大纲中维修活动的内容、频率和实施手段来管理系统可能出现的故障后果，从而提高设备的可靠性和可用率，降低维修/维护成本ASG系统分析中效益评估如下：

通过分析，一方面取消了许多没有必要的定期预防性维修工作，这些检修费时、费工而效果不明显的检修项目；另一方面增加了一些必要的用于提高设备可靠性的预防性维修工作，从事提高了设备的可靠性，降低了检修成本。

RtCM分析后产生的显著效益，主要体现在：

·取消了一些原来没有必要的定期预防性维修工作；

·预防了原来没有预防的、故障后果严重的故障模式，降低了该故障模式发生后出现后果的概率，提高了设备可靠性；

·建立维修策略制订的依据，搭建持续优化维修策略的基础。

另取消项目的经济效益也就是即RtCM分析后由于取消或延长了原来预防性维修项目所节约的维修费用（人工和备件费用）。RCM分析后，取消维修项目所节约维修费用的相对值R为：

式中：T——电站运行寿命；

tb——RCM分析前的该项目维修周期；

ta——RCM分析后的该项目维修周期。

特别地，当该项目被完全取消时，可以认为ta=∞，那么

R=100%

在电站寿期内，RCM分析后项目取消共节约维修费用的绝对值M为

式中：N——该类设备数；

C——该设备1次预防性维修费用。

相应地，对于完全取消项目，可以认为ta=∞那么：

RtCM分析前，141VV等阀门解体每10年解体检查一次，RtCM分析后取消了该项工作。解体维修人工费用约1000元人民币，备品备件费用为1800元人民币。

据公式（3），RtCM分析后取消每10年解体检查阀门所取得的经济效益为33.6W。

另通过RtCM分析，建立了ASG系统维修大纲的上游文件——维修导则，并根据故障后果、故障模式特点有针对性的制定维修策略，有利于正确反馈和持续优化维修大纲。

·规范了大纲的描述，保证了大纲项目完整性和规范性，进一步优化了大纲项目的描述，保证了大纲项目的完整性和规范性；

·系统化地梳理了现场设备/技术文件，对发现的问题及时反馈并推动解决，通过RtCM分析，系统化地梳理了现场设备、设计手册、维修手册、流程图、功能图、运行程序、维修程序等，并对发现的问题及时反馈并推动解决；

·各部门良好合作与RtCM理念的推广。

RtCM分析小组是由维修、设备管理、运行等电厂多个部门人员组成，在分析讨论中既能起到相互提高、取长补短的作用，同时也能找出原有维修、运行文件中的重复、遗漏或错误部分，将设备维护的任务更加合理地分配到各个部门，提高了整体的工作效率。

·人员技能提升。

4 总结

RtCM技术在核电站设备管理和维修管理中的应用，减少传统RCM分析对资源的高占用，提高分析效率，对于建立电站健全的维修管理体系和维修优化体系，提高电站运行的安全性、可靠性和经济性具有非常重要的意义。从国内多年的RtCM技术应用实践中看，改进的RtCM技术重点强化了技术分析，使维修策略的制定具有可行的技术路线，分析后的策略更有说服力；同时，引入的可靠性分析环节，可以为预防性维修周期的确定提供重要参考；后续规划开发通用的RtCM软件和维修模板知识库，提高RtCM分析效率和质量，更好地支持RtCM系统分析，对设备可靠性提高、检修成本节约产生了积极的作用。本文的研究成果对提升RtCM分析过程的效率和分析质量，增强RtCM分析成果的科学性和可信度，更好地指导核电厂及其他企业推行可靠性维修技术提供重要参考。